WO2004082114A1 - 電動機制御装置 - Google Patents

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Masanori Katou
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0826—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in bipolar transistor switches
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    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Definitions

  • the present invention relates to a motor control device that controls a motor at a variable speed.
  • the power semiconductor element In a motor control device that uses a power semiconductor element, such as an inverter device, the power semiconductor element generates heat during operation of the device and the junction temperature of the chip rises. Decreases. In addition, when the motor is started, stopped, or suddenly changes in load, the output current of the device changes greatly, so that the junction temperature of the power semiconductor element also changes greatly. For this reason, the chip portion of the power semiconductor element repeatedly undergoes thermal expansion and thermal contraction due to repetition of operation and shutdown and rapid changes in speed and load.
  • a power semiconductor element such as an inverter device
  • power semiconductor elements are generally assembled using various materials with different coefficients of thermal expansion. Therefore, especially when the temperature of the wire bonding portion or the junction between the power semiconductor element and the heat spreader rises, the chip coating is not performed.
  • the wire bonding gradually starts to peel off from the chip due to the thermal expansion stress of the bonding agent, and the bonding material starts to fatigue due to the thermal expansion stress due to the difference in the thermal expansion coefficient between the chip and the heat spreader. Repeated starts and stops and rapid changes in speed and load eventually result in complete release of the wire bond and an open state. In other words, the power semiconductor element is defective or destroyed.
  • This wire bonding is hot The cycle of thermal expansion and thermal shrinkage until complete peeling due to expansion stress and failure or destruction is called a power cycle.
  • a device with a high frequency of repetition of operation and stop such as when the inverter device is used for AC servo concealment or a motor drive of the elevator, or a device with a large load fluctuation such as when used for a compressor.
  • some measures must be taken, especially since the power cycle shortens the life of the power semiconductor device.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-517768
  • Patent Document 1 aims to protect a power semiconductor element used for an inverter device or the like before the end of its life due to a single cycle. From the correlation, the power cycle corresponding to the junction temperature difference of the power semiconductor element in the inverter device is estimated as the life, and the number of operation of the inverter device at the count is counted. When the count value exceeds the second reference value, an alarm signal is output, and when the count value exceeds the second reference value, a trip signal is output to forcibly stop the receiver.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 8-12663 discloses a technique for obtaining an accommodation device capable of extending the life of the power semiconductor element, such as improving its use before the end of its life. No. 7).
  • Patent Document 2 discloses that the temperature change width thermal stress calculated based on the amplitude of the estimated temperature change of the power semiconductor element and the temperature change rate thermal stress calculated based on the ratio of the estimated power semiconductor element temperature change. If the number of times of thermal stress obtained from the number of times exceeds the allowable number of times of thermal stress, alarm processing such as an alarm display command is performed, and the remaining life time is calculated from the number of times of thermal stress and the number of times of allowable thermal stress. The number of thermal stresses per set time is calculated from the number of thermal stresses per set time and the number of thermal stress rates per set time. If the number of times is exceeded, it will not be possible to operate for the expected life time with the set time, so alarm processing such as alarm display command is performed. It also obtains the operable life at operating set time, it is described that performs a display instruction.
  • Patent Document 2 discloses that fatigued parts are displayed by estimating the life due to thermal stress, so that the operator can easily judge and prevent a failure before it occurs. By estimating whether or not it is possible, the worker can extend the life by improving the usage method, load condition and frequency of use of the room equipment. If the inspection alarm is not checked and the life judgment result and life estimation result are checked to confirm the life expectancy, it is impossible to extend the life.If the alarm is overlooked, the life is extended. Without this, the output of the Invar evening device was stopped by the life judgment, and there was a problem that the system stopped abnormally.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and
  • the first object is to obtain a motor control device capable of performing a highly accurate life estimation.
  • a second object is to obtain a motor control device capable of satisfying a set life expectancy by automatically reducing the amplitude of a temperature change of a semiconductor element. Disclosure of the invention
  • An electric motor control device includes a switching circuit having a power transistor and a semiconductor element such as a diode connected in parallel to the power transistor, an operation frequency signal set by an operation frequency setting unit, and a carrier frequency setting.
  • a drive unit that generates a drive pulse based on the carrier frequency signal set by the control unit; and a drive circuit that amplifies the drive pulse output from the control unit and performs ON / OFF control of the switching transistor in the switching circuit.
  • a motor controller that converts DC power into AC power having a variable frequency and a variable voltage, and variably controls a motor as a load;
  • An output current is calculated from the current flowing through the semiconductor element, and a current that outputs a current cutoff signal to the control unit when the calculated output current signal exceeds the current limit value signal output from the current limit level adjustment unit.
  • a calculating section, a temperature change estimating section for calculating a temperature change amplitude by estimating a temperature change of the semiconductor element based on the output current signal, the operating frequency signal, and the carrier frequency signal;
  • a power cycle curve data storage section for storing power cycle curve data indicating a relationship with the power cycle life; and a temperature change amplitude calculated by the temperature change estimating section, the power as the power cycle life of the semiconductor element based on the power cycle curve data.
  • a thermal stress calculator that converts the number of cycles to calculate a thermal stress signal; If the lifetime is shorter than the expected life, the lifetime of the semiconductor element is estimated based on the signal and output to the display as a lifetime estimation result signal, and the lifetime per set time is calculated and compared with the expected lifetime. And a life estimation unit that outputs an alarm to the display unit as a life determination signal, so that highly accurate life estimation can be performed.
  • the life estimation unit outputs the life estimation result signal and the life determination signal to the current limit level adjustment unit, and the current limit level adjustment unit outputs the warning signal when the life estimation result signal contains warning information or
  • the current limit value signal output to the current calculation unit is automatically adjusted so as to be smaller.
  • the amplitude of the temperature change of the semiconductor element can be automatically reduced, and the set life expectancy can be satisfied. Further, the life estimation unit outputs the life estimation result signal and the life determination signal to the carrier frequency setting unit, and the carrier frequency setting unit outputs the warning signal when the life estimation result signal contains warning information or When the judgment signal is input, the carrier frequency signal is automatically adjusted so as to lower the upper limit of the carrier frequency and the carrier frequency signal is output to the control unit, so that the amplitude of the temperature change of the semiconductor element is automatically reduced. And the set expected life can be satisfied.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a motor control device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Figure 2 shows the definition of semiconductor devices such as power transistors and diodes. It is a figure showing an example of an ordinary loss characteristic.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of switching loss characteristics of a semiconductor device such as a power transistor and a diode.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a temperature change of a semiconductor element.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of characteristics of a power cycle curve stored in a power cycle curve data storage unit 14 in the motor control device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a motor control device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a motor control device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the control unit 1 generates a driving pulse 102 based on the operating frequency signal 100 set by the operating frequency setting unit 2 and the carrier frequency signal 101 set by the carrier frequency setting unit 3a. And outputs it to the drive circuit 4.
  • the drive circuit 4 generates a drive pulse 103 amplified by the drive pulse 102, and performs O NZ OFF control of the power transistor 6 constituting the switching circuit 5, thereby reducing the DC power to a variable frequency and a variable voltage. It converts it into AC power and variably controls the motor 8 as a load.
  • Reference numeral 7 denotes a diode connected in parallel to the power transistor 6.
  • the current calculator 9 calculates an output current from the current detection signal 104 detected by the current detector 10 and outputs an output current signal 105 to the temperature change estimator 11.
  • the current calculation unit 9 uses the calculated output current signal 105 to protect the semiconductor elements such as the power transistor 6 and the diode 7 and the motor 8 from overcurrent by the current limit level adjustment unit 12a.
  • the change estimating unit 11 is composed of the operating frequency signal 100 set by the operating frequency setting unit 2, the carrier frequency signal 101 set by the carrier frequency setting unit 3a, and the output current calculated by the current calculating unit 9.
  • Fig. 2 shows an example of the steady-state loss characteristics of semiconductor devices such as power transistors and diodes.
  • the horizontal axis is the output current I (output current signal 105 calculated by the current calculation unit 9), and the vertical axis is the steady-state loss Ps.c
  • the steady-state loss Ps increases with the output current I. The characteristics are increased accordingly.
  • FIG. 3 shows an example of switching loss characteristics of a semiconductor device such as a power transistor and a diode.
  • the horizontal axis is the output current I (the output current signal 105 calculated by the current calculation unit 9), and the vertical axis is the switching loss P sw.
  • the switching loss P sw has a characteristic that increases as the output current I increases.
  • the carrier frequency fc which is the carrier frequency signal 101 set by the carrier frequency setting unit 3a, and the calculation cycle ⁇ , And a power transistor 6 and a diode that constitute a switching circuit 5.
  • the heat value Q of the semiconductor element such as 7.
  • the amount of temperature change ⁇ ⁇ during the operation time ⁇ ⁇ is the heat dissipation Q of the power transistor 6 and the diode 7 and the power It can be obtained from the transient thermal resistance R th (t) determined by the mounting state of the transistor 6 and the diode 7, and the temperature change is calculated by integrating the temperature change ⁇ (, and the maximum point and the minimum point are extracted. Then, the temperature change amplitude ⁇ 1 is calculated and output to the thermal stress calculation unit 13 as a temperature change amplitude signal 108.
  • FIG. 4 shows an example of a temperature change of the semiconductor element.
  • At is a set time
  • ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, and ⁇ are temperature change amplitudes
  • ⁇ T max is a maximum temperature change amplitude at the set time ⁇ t.
  • the cycle of thermal expansion and thermal contraction until the semiconductor element becomes defective due to the cycle of temperature rise is called a power cycle.
  • the thermal stress calculation unit 13 responds to the temperature change amplitude signal 109 based on the power cycle curve data indicating the relationship between the temperature change amplitude stored in the power cycle data storage unit 14 and the power cycle life of the semiconductor device.
  • the power cycle life to be calculated is calculated as the power cycle number signal 110.
  • FIG. 5 shows an example of the characteristics of the power cycle curve stored in the power cycle curve data storage unit in the motor control device according to Embodiment 1.
  • the horizontal axis represents the temperature change amplitude ⁇ (The temperature change amplitude signal 109) output from the stress calculation unit 13), and the vertical axis represents the power cycle number S (power cycle number signal 110 output to the thermal stress calculation unit 13) as the power cycle life of the semiconductor device.
  • the thermal stress calculation unit 13 receives the number of power cycles S 1 obtained in correspondence with the temperature change amplitude ⁇ 1 as a power cycle number signal 110, and calculates the thermal stress coefficient X 1 by the equation (2).
  • the calculation is performed, and the result is output to the life estimation unit 15a as the thermal stress signal 111.
  • X X 0 (previous value) + x 1 + x 2 + x 3 + x 4 + ⁇ --(3) The sum is obtained and output to the display unit 16 as the life estimation result signal 1 12.
  • the service life estimating unit 15a receives the set time ⁇ ⁇ ⁇ set by the operating time setting unit 17 as the set time signal 113, and only during the set time the heat stress calculating unit 13a
  • the thermal stress coefficient Xt per time t is calculated by equation (4).
  • the expected life signal 111 which is the expected life te set by the expected life setting unit 18, is compared with the life time t L calculated by the equation (5) . If t L ⁇ te, the life is judged. An alarm is output to the display unit 16 as the signal 1 15 to urge the worker to extend the life.
  • the power cycle life is calculated with reference to the power cycle curve data unique to the semiconductor element. Therefore, for any amplitude of temperature change, it is possible to calculate and integrate the weighted thermal stress based on the amplitude, and to realize highly accurate life estimation and judgment of expected life. .
  • Embodiment 2 Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a motor control device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 1, 2, 4 to: L 1, 13, 14, 16 to 18, and 100 to 115 are the same as those in FIG. 1, and the description thereof is omitted.
  • the life estimation unit 15b outputs the life estimation result signal 112 and the life judgment signal 115 to the carrier frequency setting unit 3b and the current limit level adjustment unit 12b.
  • the current limit level adjuster 12b is output when the integrated thermal stress coefficient X included in the input life estimation result signal 1 12 approaches 1, or when the life time tL falls below the expected life te. Life judgment signal 1 15 is input When it is input, the current limit value signal 106 output to the current calculation unit 9 is automatically adjusted to be small.
  • the current limit value signal 106 is automatically adjusted to be small, and the output current I is limited to a lower value. Since the steady loss P s and the switching loss P sw shown in FIG. 3 and FIG. 3 can be reduced, the calorific value Q of the semiconductor element can be suppressed. Therefore, even if the operator does not inspect the motor control device and take measures to extend the life, automatic adjustment is performed to satisfy the expected life of the semiconductor element set in the expected life setting unit 18. be able to.
  • the carrier frequency setting unit 3b outputs when the integrated thermal stress coefficient X included in the input life estimation result signal 1 1 2 approaches 1 or when the life time t L falls short of the expected life te. When the life determination signal 1 15 to be inputted is inputted the carrier frequency signal 101 is automatically adjusted so as to lower the upper limit value of the carrier frequency and the carrier frequency signal 101 is outputted to the control unit 1.
  • the upper limit of the carrier frequency is automatically adjusted so that the heating value Q of the semiconductor element is obtained.
  • the term sw can be reduced, and the calorific value Q of the semiconductor element can be suppressed. For this reason, even if the operator does not inspect the motor control device and take measures to extend the life, automatic adjustment can be made to satisfy the expected life of the semiconductor element set in the expected life setting unit 18. it can.
  • the carrier frequency is reduced by automatic adjustment when the life of the semiconductor element is judged to be shortened, the noise of the motor will increase, so that the operator can be encouraged to approach the life of the semiconductor element.
  • the operator can take action to replace the motor control unit before the system stops abnormally due to a failure.
  • the current limit value signal 106 is automatically adjusted so as to be smaller, and furthermore, the upper limit value of the carrier frequency is automatically reduced.
  • the amount of heat generated by the semiconductor element is suppressed, so that the semiconductor element can be rapidly shortened in life due to thermal stress due to a sudden output current fluctuation that occurs in the case of a compressor or the like with a large load fluctuation. Even in the event that the alarm is reached, the system can be prevented from stopping before the operator checks the alarm displayed on the display unit 16. In addition, it is possible to automatically adjust the semiconductor device to meet the expected life of the semiconductor device set by the expected life setting unit 18 without requiring the operator to inspect the motor control device and take measures to extend the life. . Industrial applicability
  • the motor control device of the present invention enables highly accurate estimation of life and determination of expected life, and is suitable for applications in which start / stop control is frequently performed. Also, even if the operator does not inspect the display unit and take measures to extend the life, automatic adjustment can be performed to satisfy the expected life of the semiconductor element set in the expected life setting unit. It is suitable for applications where the operation speed can be reduced with respect to the speed.

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Abstract

この発明の電動機制御装置は、温度変化推定部１１で、スイッチング回路５の半導体素子を流れる電流から演算した出力電流信号１０５と運転周波数信号とキャリア周波数信号とに基づき半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅１０８を演算し、熱ストレス演算部１３で、パワーサイクル曲線データ記憶部１４に格納されたパワーサイクル曲線データから温度変化振幅１０８に対応するパワーサイクル数１１０に換算し、熱ストレス信号１１１を演算し、寿命推定部１５ａで、熱ストレス信号１１１に基づいて半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号１１２として表示部１６に出力する。

Description

技術分野
この発明は、 電動機を可変速制御する電動機制御装置に関するもので 明
ある。
田
背景技術
書
インバー夕装置など、 電力用半導体素子を用いた電動機制御装置では、 同装置の運転時に電力用半導体素子が発熱してチップのジャンクション 温度が上昇し、 同装置の停止時には発熱が'止ってジャンクション温度が 低下する。 また、 電動機の運転始動時、 運転停止時および負荷の急変時 においては、 装置の出力電流が大きく変化するため、 電力用半導体素子 のジャンクション温度も大きく変化する。 このため、 運転と停止の繰り 返しおよび速度や負荷の急激な変化の繰り返しにより、 電力用半導体素 子のチヅプ部分が熱膨張と熱収縮を繰り返す。
—方、 電力用半導体素子は一般に熱膨張係数の異なる種々の材料を使 つて組み立てられているため、 特にワイヤボンディング部や電力用半導 体素子とヒートスプレッダの接合部が温度上昇すると、 チップのコーテ ィング剤の熱膨張応力により徐々にワイヤボンディングがチップから剥 離し始めたり、 チップとヒートスプレッダとの熱膨張係数の差異による 熱膨張応力により接合材料が金属疲労し始める。 運転と停止の繰り返し および速度や負荷の急激な変化の繰り返しにより、 最終的には、 ワイヤ ボンディングが完全に剥離してオープン状態になる。 すなわち、 電力用 半導体素子の不良あるいは破壊にいたる。 このワイヤボンディングが熱 膨張応力により完全に剥離して不良あるいは破壊にいたるまでの熱膨張 と熱収縮のサイクルがパワーサイクルと呼ばれる。
従って、 ィンバ一夕装置を A Cサーボ装匿あるいはエレべ一夕のモ一 夕駆動に用いた場合など運転と停止の繰り返し頻度が高い装置や、 コン プレッサに用いた場合などの負荷変動が激しい装置では、 特にパワーサ ィクルにより電力用半導体素子の寿命が短くなるので、 何らかの対策が 必要である。
パワーサイクルによる電力用半導体素子の寿命を監視して、 寿命が尽 きる前に電力用半導体素子の保守の時期を把握し、 電力用半導体素子の 破壊を防止することを可能とする装置を提供することを目的としたもの として、 特許文献 1 (特開平 8— 5 1 7 6 8号公報） に開示された電力 用半導体素子の寿命監視装置がある。
特許文献 1は、 ィンバ一夕装置等に用いられる電力用半導体素子をパ ヮ一サイクルによる寿命にいたる前に保護することを目的としたもので、 電力用半導体素子のジャンクション温度差とパワーサイクルとの相関関 係から、 ィンバ一夕装置における電力用半導体素子のジャンクション温 度差に対応するパワーサイクルを寿命と推定し、 カウン夕でィンバ一夕 装置の運転回数をカウントし、 カウント値が第一の基準値を越えた時に 警報信号を出力し、 カウント値が第二の基準値を越えた時にトリップ信 号を出力してィンバ一夕装置を強制的に停止させるようにしたものであ る。
特許文献 1では、 ジャンクション温度差の値は通常変化するが、 ジャ ンクシヨン温度差の値は装置の運転と停止における代表的な一点を選び 固定値としており、 所望の推定寿命精度が得られないという問題点があ つた。 また、 電力用半導体素子の寿命になる以前に使用方法を改善するなど の延命処置ができるィンバ一夕装置を得ることを目的としたものとして、 特許文献 2 (特開平 8— 1 2 6 3 3 7号公報） がある。
特許文献 2には、 電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に 基づいて演算した温度変化幅熱ストレス回数と電力用半導体素子の推定 温度の変化における割合に基づいて演算した温度変化率熱ストレス回数 とから求めた熱ストレス回数が許容熱ストレス回数を越えた場合にァラ ーム表示指令などのアラーム処理を行うこと、 また、 熱ス トレス回数と 許容熱ストレス回数とから残りの寿命時間を求め、 表示指令を行うこと、 また、 設定時間毎の温度変化幅熱ストレス回数と設定時間毎の温度変化 率熱ストレス回数とから求めた設定時間毎の熱ストレス回数が設定時間 当たりの許容熱ストレス回数を越えた場合には、 設定時間の運転で期待 寿命時間だけ運転できないことになるため、 アラーム表示指令などのァ ラーム処理を行うこと、 また、 設定時間の運転での運転可能寿命を求め、 表示指令を行うことが記載されている。
特許文献 2は、 熱ストレスによる寿命推定により疲労に達した部品を 表示して作業者が容易に判断でき故障を未然に防ぐことができるだけで なく、 設定した時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かを推定す ることで、 作業者がィンバ一夕装置の使用方法や負荷状況および使用頻 度の改善を行うことで延命処置ができるようにしたものであるが、 作業 者が表示部を検査してその表示やアラームを確認して寿命判定結果や寿 命推定結果を確認しなければ、 延命処置を施すことができず、 表示ゃァ ラームを見落とした場合には、 延命処置を施すことなく、 インバー夕装 置は寿命判定により出力を停止してしまうため、 システムが異常停止し てしまうという問題点もあった。 この発明は、 上述のような課題を解決するためになされたもので、 第
1の目的は、 精度の高い寿命推定が行える電動機制御装置を得るもので ある。
また、 第 2の目的は、 半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さく することにより、 設定された期待寿命を満足することができる電動機制 御装置を得るものである。 発明の開示
この発明の電動機制御装置は、 パワートランジスタとこのパワートラ ンジス夕に並列接続されるダイォ一ドなどの半導体素子を有するスィヅ チング回路と、 運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキヤリ ァ周波数設定部で設定されたキヤリァ周波数信号に基づき駆動パルスを 生成する制御部と、 この制钾部から出力された駆動パルスを増幅してス ィツチング回路のパヮ一トランジスタを O N/ 0 F F制御する駆動回路 と、 を有し、 直流電力を可変周波数、 可変電圧の交流電力に変換し、 負 荷としての電動機を可変制御する電動機制御装置において、
半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、 演算した出 力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号を上 回つた場合には制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、 この出 力電流信号と運転周波数信号とキヤリァ周波数信号とに基づき半導体素 子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温度変化推定部と、 温 度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサ ィクル曲線データを格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、 温度 変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線データに より半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数に換算 し、 熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、 この熱ストレス信 号に基づいて半導体素子の寿命推定をし、 寿命推定結果信号として表示 部に出力するとともに、 さらに設定時間当りの寿命時間を算出して期待 寿命と比較し、 寿命時間が期待寿命よりも小さい場合に、 寿命判定信号 としてアラームを表示部に出力する寿命推定部と、 を備えたので、 精度の高い寿命推定が行うことができる。 また、 寿命推定部は、 寿命推定結果信号と寿命判定信号とを電流制限 レベル調節部に出力するとともに、 電流制限レベル調節部は、 寿命推定 結果信号に警告情報が含まれていた場合、 または寿命判定信号が入力さ れた場合には、 電流演算部に出力する電流制限値信号を小さくするよう に自動調整するようにしたので、
半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることができ、 設定さ れた期待寿命を満足することができる。 さらに、 寿命推定部は、 寿命推定結果信号と寿命判定信号とをキヤリ ァ周波数設定部に出力するとともに、 キャリア周波数設定部は、 寿命推 定結果信号に警告情報が含まれていた場合、 または寿命判定信号が入力 された場合には、 キヤリア周波数の上限値を下げるように自動調整して キヤリア周波数信号を前記制御部に出力するようにしたので、 半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることができ、 設定さ れた期待寿命を満足することができる。 図面の簡単な説明
第 1図はこの発明の実施の形態 1に係る電動機制御装置の構成を示す 図である。
第 2図はパワートランジスタおよびダイォ一ドなどの半導体素子の定 常損失特性の一例を示す図である。
第 3図はパワートランジスタおよびダイォ一ドなどの半導体素子のス イツチング損失特性の一例を示す図である。
第 4図は半導体素子の温度変化の一例を示す図である。
第 5図は実施の形態 1に係る電動機制御装置においてパワーサイクル 曲線データ記憶部 1 4に格納されるパワーサイクル曲線の特性の一例を 示す図である。 ·
第 6図はこの発明の実施の形態 2に係る電動機制御装置の構成を示す 図である。 発明を実施するための最良の形態
実施の形態 1 .
第 1図はこの発明の実施の形態 1に係る電動機制御装置の構成を示す 図である。 図において、 制御部 1は、 運転周波数設定部 2で設定された 運転周波数信号 1 0 0とキヤリア周波数設定部 3 aで設定されたキヤリ ァ周波数信号 1 0 1に基づき駆動パルス 1 0 2を生成し、 駆動回路 4に 出力する。 駆動回路 4は、 駆動パルス 1 0 2により増幅した駆動パルス 1 0 3を生成し、 スィツチング回路 5を構成するパワートランジス夕 6 を O NZ O F F制御することにより、 直流電力を可変周波数、 可変電圧 の交流電力に変換し、 負荷としての電動機 8を可変制御する。 また、 7 はパワートランジスタ 6に並列接続されるダイォードである。
また、 電流演算部 9は電流検出器 1 0で検出した電流検出信号 1 0 4 から出力電流を演算して出力電流信号 1 0 5を温度変化推定部 1 1に出 力する。 また、 電流演算部 9は、 演算した出力電流信号 1 0 5と、 電流 制限レベル調節部 1 2 aでパワートランジスタ 6およびダイォ一ド 7な どの半導体素子および電動機 8を過電流から保護するために設定された 電流制限値信号 1 0 6とを比較し、 出力電流信号 1 0 5が電流制限値信 号 1 ◦ 6を上回った場合は、 制御部 1に電流遮断信号 1 0 7を出力する c また、 温度変化推定部 1 1は、 運転周波数設定部 2で設定された運転 周波数信号 1 0 0とキヤリァ周波数設定部 3 aで設定されたキヤリァ周 波数信号 1 0 1と電流演算部 9で演算した出力電流信号 1 0 5とに基づ いて、 パワートランジス夕 6およびダイォード 7などの半導体素子の温 度変化を推定して温度変化捩幅を演算する。 温度変化推定部 1 1における温度変化推定処理について説明する。 パヮ一トランジス夕およびダイォードなどの半導体素子の定常損失特 性の一例を第 2図に示す。 第 2図において、 横軸は出力電流 I (電流演 算部 9で演算した出力電流信号 1 0 5 ) で、 縦軸が定常損失 P sである c 定常損失 P sは出力電流 Iの増加に伴い増加する特性となる。
また、 パワートランジス夕およびダイォ一ドなどの半導体素子のスィ ツチング損失特性の一例を第 3図に示す。 第 3図において、 横軸は出力 電流 I (電流演算部 9で演算した出力電流信号 1 0 5 ) で、 縦軸がスィ ツチング損失 P s wである。 スィツチング損失 P s wは出力電流 Iの増 加に伴い増加する特性となる。 まず、 電流演算部 9で演算した出力電流信号 1 0 5 (第 2図、 第 3図 では出力電流 Iとして記載） を用いて、 第 2図に示す定常損失特性によ り定常損失 P s、 第 3図に示すスィツチング損失特性によりスィッチン グ損失 P s wを求める。 次に、 定常損失 P sおよびスイッチング損失 P s wと、 キヤリァ周波数設定部 3 aで設定されたキヤリァ周波数信号 1 0 1であるキヤリァ周波数 f cと、 演算周期 Δてとから、 （ 1 ) 式によ り、 スィヅチング回路 5を構成するパワートランジスタ 6とダイオード 7などの半導体素子の発熱量 Qを求める。
Q = P s (I) +P s w ( I ) X f c X Δ r (1) 演算時間△ ττ間における温度変化量 Δ < は、 パワートランジス夕 6お ょぴダイオード 7の発熱量 Qと、 パワートランジスタ 6およびダイォー ド 7の実装状態により定まる過渡熱抵抗 R t h ( t ) とから求めること ができ、 温度変化量 Δ ( を積算演算して温度変化を求め、 この極大点と 極小点を抽出して温度変化振幅 ΔΤ 1を計算し、 温度変化振幅信号 10 8として熱ストレス演算部 13に出力する。
半導体素子の温度変化の一例を第 4図に示す。 第 4図において、 At は設定時間、 ΔΤ 1、 ΔΤ 2、 ΔΤ 3、 ΔΤ4、 ΔΤηは温度変化振幅、 △ T m a Xは設定時間 Δ tにおける最大温度変化振幅である。 この半導 体素子の温度上昇のサイクルにより不良となるまでの熱膨張と熱収縮の サイクルをパワーサイクルと呼ぶ。 熱ストレス演算部 13は、 パヮ一サイクル曲線データ記憶部 14に格 納されている温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連 を示すパワーサイクル曲線データにより、 温度変化振幅信号 109に対 応するパワーサイクル寿命をパワーサイクル数信号 1 10として演算す る。
実施の形態 1に係る電動機制御装置においてパワーサイクル曲線デー 夕記憶部に格納されるパワーサイクル曲線の特性の一例を第 5図に示す < 第 5図において、 横軸は温度変化振幅 ΔΤ (熱ス トレス演算部 13から 出力される温度変化振幅信号 109) 、 縦軸は半導体素子のパワーサイ クル寿命としてのパワーサイクル数 S (熱ストレス演算部 13に出力す るパワーサイクル数信号 1 10) である。 温度変化振幅と半導体素子の W
パヮ一サイクル寿命とは相関関係があり、 温度変化振幅が大きい （ΔΤ 1 >Δ T 2 ) ほどパワーサイクル寿命が短く ( S 1< S 2 ) なる。 また、 熱ストレス演算部 13は、 温度変化振幅 ΔΤ 1対応して求めた パヮ一サイクル数 S 1をパワーサイクル数信号 1 10として受け取り、 熱ストレス係数 X 1を (2) 式により、
X 1 = 1/S 1 ( 2 )
演算して、 その結果を熱ストレス信号 1 1 1として寿命推定部 15 aへ 出力する。
以降、 同様にして温度変化振幅 ΔΤ 2、 ΔΤ 3、 ΔΤ4、 · ■ ' に対 応したパワーサイクル数 S 2、 S 3、 S 4、 · · ·をパワーサイクル曲 線データ記憶部 14から受け取り、 熱ストレス係数 X 2 (= 1/S 2 ) 、 x3 (= lZS 3) 、 x4 (= l/S 4) 、 ■ · .を演算して、 熱スト レス信号 1 1 1として寿命推定部 15 aへ出力する。 寿命推定部 15 aは、 熱ストレス信号 1 1 1として熱ストレス係数を 入力すると、 積算熱ス トレス係数 Xを （3) 式のように、
X = X 0 (前回値） +x 1 +x 2 +x 3 +x 4 + · - - (3) 加算して求め、 寿命推定結果信号 1 12として表示部 16に出力する。
また、 積算熱ストレス係数 X= 1の場合が寿命に相当するので、 積算 熱ストレス係数 Xが 1に近づいた場合は、 寿命推定結果信号 1 12とし て警告を表示部 16に出力して、 寿命に近づいた旨を作業者に知らせる ( また、 寿命推定部 15 aは、 運転時間設定部 17より設定された設定 時間 Δΐを設定時間信号 1 13として受け取り、 設定時間 の間だけ 熱ストレス演算部 13から出力される熱ストレス信号 1 1 1により、 熱 ス トレス係数 x l、 χ2、 χ3、 · · ·、 χηを受け取り積算し、 設定 時間厶 t当りの熱ストレス係数 X tを、 （4) 式で求める。
Xt =x l +x2+…十 xn (4)
また、 寿命時間 t Lを （5) 式により算出し、
t L = Δ t X ( 1/X t ) ( 5 )
期待寿命設定部 18で設定された期待寿命 t eである期待寿命信号 1 1 4と、 （5) 式により算出した寿命時間 t Lとを比較し、 t L<t eと なった場合は、 寿命判定信号 1 15としてアラームを表示部 16に出力 して、 作業者に延命処置を促す。 上記のように、 実施の形態 1によれば、 温度変化推定部で演算した温 度変化振幅毎に、 半導体素子固有のパヮ一サイクル曲線データを参照し てパヮ一サイクル寿命を算出するようにしたので、 いかなる温度変化の 振幅に対してもその振幅に基づいて重みづけされた熱ストレスを演算し て積算することが可能となり、 精度の高い寿命の推定および期待寿命と の判定が実現可能となる。 実施の形態 2.
第 6図はこの発明の実施の形態 2に係る電動機制御装置の構成を示す 図である。 図において、 1、 2、 4〜： L 1、 13、 14、 16〜 18、 100〜1 15は、 第 1図と同様であり、 その説明を省略する。
寿命推定部 15 bは、 寿命推定結果信号 1 12と寿命判定信号 1 15 とをキヤリァ周波数設定部 3 bおよび電流制限レベル調節部 12 bに出 力する。
電流制限レベル調節部 12 bは、 入力した寿命推定結果信号 1 12に 含まれる積算熱ス トレス係数 Xが 1に近づいた場合、 または寿命時間 t Lが期待寿命 t eを下回った場合に出力される寿命判定信号 1 15が入 力された場合には、 電流演算部 9に出力する電流制限値信号 1 0 6を小 さくするように自動調整する。
パヮ一トランジス夕 6、 ダイオード 7などの半導体素子の寿命が短く なった場合に、 電流制限値信号 1 0 6を小さくするように自動調整し、 出力電流 Iを低めに制限することにより、 第 2図、 第 3図に示される定 常損失 P s、 スィヅチング損失 P s wを小さくすることができるので、 半導体素子の発熱量 Qを抑制することができる。 このため、 作業者が電 動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、 期待寿命設 定部 1 8にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調 整することができる。 また、 キャリア周波数設定部 3 bは、 入力した寿命推定結果信号 1 1 2に含まれる積算熱ストレス係数 Xが 1に近づいた場合、 または寿命時 間 t Lが期待寿命 t eを下回った場合に出力される寿命判定信号 1 1 5 が入力された場合には、 キャリア周波数の上限値を下げるように自動調 整してキャリア周波数信号 1 0 1を制御部 1に出力する。
パワートランジスタ 6、 ダイォード 7などの半導体素子の寿命が短く なった場合に、 キヤリア周波数の上限値を下げるように自動調整したの で、 半導体素子の発熱量 Qを求める （ 1 ) 式のスイッチング損失 P s w の項を小さくすることができ、 半導体素子の発熱量 Qを抑制することが できる。 このため、 作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す 処置をしなくとも、 期待寿命設定部 1 8にて設定された半導体素子の期 待寿命を満足するように自動調整することができる。
また、 半導体素子の寿命が短くなったと判断して自動調整によりキヤ リア周波数を下げた場合、 電動機の騒音が増加するので、 作業者に半導 体素子の寿命が近づいたことを促すことができ、 半導体素子の寿命によ る故障でシステムが異常停止する前に、 作業者が電動機制御装置を交換 する処置を施すことができる。 実施の形態 2においては、 半導体素子の寿命が短くなつた場合に、 電 流制限値信号 1 0 6を小さくするように自動調整することに,より、 また キヤリァ周波数の上限値を下げるように自動調整することにより、 半導 体素子の発熱量 Qを抑制するようにしたので、 負荷変動の大きいコンプ レッサ等などの場合に発生する急激な出力電流変動により熱ストレスで 半導体素子が急速に寿命に至った場合においても、 作業者が表示部 1 6 にて表示されるアラームを検査する以前に、 システムが停止することを 防ぐことができる。 また、 作業者が電動機制御装置を検査して延命処置 を施す処置をしなくとも、 期待寿命設定部 1 8にて設定された半導体素 子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明の電動機制御装置は精度の高い寿命の推定およ び期待寿命との判定が実現可能となるので、 始動 ·停止制御が頻繁に行 われる用途に適している。 また、 作業者が表示部を検査して延命処置を 施す処置をしなくとも、 期待寿命設定部にて設定された半導体素子の期 待寿命を満足するように自動調整することができるので、 指令速度に対 して運転速度の低下が許容される用途に適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . パワートランジスタとこのパワートランジスタに並列接続される ダイォ一ドなどの半導体素子を有するスィツチング回路と、
運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキヤリァ周波数設定部 で設定されたキヤリァ周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部 と、
この制御部から出力された前記駆動パルスを増幅して前記スイッチング 回路のパワートランジスタを O NZ O F F制御する駆動回路と、 を有し、 直流電力を可変周波数、 可変電圧の交流電力に変換し、 負荷としての電 動機を可変制御する電動機制御装置において、
前記半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、 演算し た出力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号 を上回った場合には前記制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、 この出力電流信号と前記運転周波数信号と前記キヤリア周波数信号とに 基づき前記半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温 度変化推定部と、
温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパヮ一 サイクル曲線デ一夕を格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、 前記温度変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線 データにより半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル 数に換算し、
熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、
この熱ス トレス信号に基づいて前記半導体素子の寿命推定をし、 寿命推 定結果信号として表示部に出力するとともに、 さらに設定時間当りの寿 命時間を算出して期待寿命と比較し、 寿命時間が期待寿命よりも小さい 場合に、 寿命判定信号としてアラームを前記表示部に出力する寿命推定 部と、
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
2 . 前記寿命推定部は、 前記寿命推定結果信号と前記寿命判定信号とを 前記電流制限レベル調節部に出力するとともに、
前記電流制限レベル調節部は、 前記寿命推定結果信号に警告情報が含ま れていた場合、 または前記寿命判定信号が入力された場合には、 前記電 流演算部に出力する電流制限値信号を小さくするように自動調整するよ うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第 1項に記載の電動機制御装
3 . 前記寿命推定部は、 前記寿命推定結果信号と前記寿命判定信号とを 前記キヤリァ周波数設定部に出力するとともに、
前記キヤリア周波数設定部は、 前記寿命推定結果信号に警告情報が含ま れていた場合、 または前記寿命判定信号が入力された場合には、 前記キ ャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキヤリア周波数信号 を前記制御部に出力するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第 1項に記載の電動機制御装置。
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